数码显示记忆叮咚门铃.docx
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数码显示记忆叮咚门铃
数码显示记忆“叮咚”门铃
课程设计报告
设计题目：
数码显示记忆“叮咚”门铃
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优
摘要：
当今社会的电子产品更新换代十分之快，越人性化的产品越有市场。
如今人们生活节奏加快，出差、旅游已经成为生活的常态，不在家的时候，无法得知是否有人来访，所以数显记忆门铃也就应运而生。
数显记忆门铃由门铃电路、延时电路和显示记忆三部分组成。
采用555定时器、74LS160、74LS48和共阴极七段数码管，组合构成一
个可显示记忆门铃。
关键词：
74LS160,74LS48,555定时器
前言
日新月异的社会，技术也加快了进步的步伐，越来越多的电子产品走进人们的日常生活，电子门铃的就是一个很好的例子。
这次的课程设计，我们设计了一个集门铃和数字显示功能于一体的门铃电路。
过程中我们深刻理解电路各部分的设计原理和所能实现的功能，如我们选用了555定时芯片，555芯片配上适当的阻容元件可以构成单稳态触发器、多谐振荡器以及施密特触发器等脉冲产生与整形电路，他们在工业自动控制、定时、仿生、电子乐器和防盗报警等方面都有着广泛的应用。
我们电路中的延时电路运用了单稳触发器，双音门铃则利用定时器构成多谐振荡器组成。
这是一次理论与实践的完美结合。
本次课程设计是我们首次的专业的设计实践，虽然遇到许多困难，但解决困难的过程让我们受益良多，小组的协作配合也更加默契，丰富了的专业知识，提高了动手能力。
1.总体设计方案
1.1设计内容
设计一个数字显示记忆门铃电路。
设置一个按钮，按下按钮时发出较高的频率“叮”声，松开按钮发出较低频率的“咚”声。
门铃“叮咚”声的声音频率和声音持续时间可调。
正常人听力范围在20Hz~20000Hz而300Hz~5000Hz则是人耳最敏感的声音频率范围因此“叮咚”声最好在这个范围内或者左右。
在按下门铃的触发信号通过延时工作区传递到数显计数计数加1，以避免访客连续动作导致误计数。
1.2设计方案
1.2.1总设计电路原理
当按下开关时，一方面电源经开关触点、二极管VD2对电容C5快速充电使555的④脚变为高电平解除清零，另一方面电阻R6被按下开关短路，振荡器振荡，扬声器BUZZER发出“叮”的声音。
当松开开关后后，一方面C5两端电压经R5、Rp2慢速放电以维持NE555的④为高电平，另一方面R6被接入电路，BUZZER发出“咚”的声音，555的④脚变为低电平，555被清零，“咚”声终止。
另一方面开关按下的信号由555的2脚进入555组成的单稳态触发电路，造成一定的延时时间再由555的3脚输出进入74LS160同步置数，最后经过74LS48七段数码管驱动器输出在共阴极七段数码管显示数值。
1.2.2总设计电路流程图
2.单元模块设计
2.1器件介绍
2.1.174LS160D和74LS48D工作原理及作用
1、74LS160D
（1）工作原理
74160输出为8421BCD码，计数为0000-1001，M=10
这种同步可预置十进计数器是由四个D型触发器和若干个门电路构成，内部有超前进位，具有计数、置数、禁止、直接（异步）清零等功能。
对所有触发器同时加上时钟，使得当计数使能输入和内部门发出指令时输出变化彼此协调一致而实现同步工作。
这种工作方式消除了非同步（脉冲时钟）计数器中常有的输出计数尖峰。
缓冲时钟输入将在时钟输入上升沿触发四个触发器。
这种计数器是可全编程的，即输出可预置到任何电平。
当预置是同步时，在置数输入上将建立一低电平，禁止计数，并在下一个时钟之后不管使能输入是何电平，输出都与建立数据一致。
清除是异步的（直接清零），不管时钟输入、置数输入、使能输入为何电平，清除输入端的低电平把所有四个触发器的输出直接置为低电平。
超前进位电路无须另加门，即可级联出n位同步应用的计数器。
它是借助于两个计数使能输入和一个动态进位输出来实现的。
两个计数使能输入（ENP和ENT）计数时必须是高电平，且输入ENT必须正反馈，以便使能动态进位输出。
因而被使能的动态进位输出将产生一个高电平输出脉冲，其宽度近似等于QA输出高电平。
此高电平溢出进位脉冲可用来使能其后的各个串联级。
使能ENP和ENT输入的跳变不受时钟输入的影响。
电路有全独立的时钟电路。
改变工作模式的控制输入（使能ENP、ENT或清零）
纵使发生变化，直到时钟发生为止，都没有什么影响。
计数器的功能（不管使能、不使能、置数或计数）完全由稳态建立时间和保持时间所要求的条件来决定。
（2）、工作方式
功能表：
2、74LS48D
（1）、工作原理
74LS48芯片是一种常用的七段数码管译码器驱动器，常用在各种数字电路和单片机系统的显示系统中。
74LS48七段显示译码器输出高电平有效，用以驱动共阴极显示器。
该集成显示译码器设有多个辅助控制端，以增强器件的功能。
它有3个辅助控制端LT、RBI、BI/RBO,现简要说明如下：
a.灭灯输入BI/RBO
BI/RBO是特殊控制端，有时作为输入，有时作为输出。
当BI/RBO作输入使用且BI＝0时，无论其它输入端是什么电平，所有各段输入a～g均为0，所以字形熄灭。
b.试灯输入LT
当LT＝0时，BI/RBO是输出端，且RBO＝1，此时无论其它输入端是什么状态，所有各段输出a～g均为1,显示字形8。
该输入端常用于检查7448本身及显示器的好坏。
c.动态灭零输入RBI
当LT＝1，RBI＝0且输入代码DCBA＝0000时，各段输出a～g均为低电平，与BCD码相应的字形
熄灭，故称“灭零”。
利用LT=1与RBI=0可以实现某一位的“消隐”。
此时BI/RBO是输出端，且RBO=0。
d.动态灭零输出RBO
BI/RBO作为输出使用时，受控于LT和RBI。
当LT＝1且RBI＝0，输入代码DCBA=0000时，RBO=0；若LT=0或者LT＝1且RBI＝1，则RBO=1。
该端主要用于显示多位数字时，多个译码器之间的连接。
（2）工作方式
2.1.2555定时器
1、555定时器的工作原理
555定时器的功能主要由两个比较器决定。
两个比较器的输出电压控制RS触发器和放电管的状态。
在电源与地之间加上电压，当5脚悬空时，则电压比较器C1的同相输入端的电压为2VCC/3，C2的反相输入端的电压为VCC若触发输入端TR的电压小于VCC/3，则比较器C2的输出为0，可使RS触发器置1，使输出端OUT=1。
如果阈值输入端TH的电压大于2VCC/3，同时TR端的电压大于VCC/3，则C1的输出为0，C2的输出为1，可将RS触发器置0，使输出为0电平。
它的各个引脚功能如下：
1脚：
外接电源负端VSS或接地，一般情况下接地。
8脚：
外接电源VCC，双极型时基电路VCC的范围是4.5~16V，CMOS型时基电路VCC的范围为3~18V。
一般用5V。
3脚：
输出端Vo
2脚：
低触发端
6脚：
TH高触发端
4脚：
是直接清零端。
当此端接低电平，则时基电路不工作，此时不论TR、TH处于何电平，时基电路输出为“0”，该端不用时应接高电平。
5脚：
VC为控制电压端。
若此端外接电压，则可改变内部两个比较器的基准电压，当该端不用时，应将该端串入一只0.01μF电容接地，以防引入干扰。
7脚：
放电端。
该端与放电管集电极相连，用做定时器时电容的放电。
在1脚接地，5脚未外接电压，两个比较器A1、A2基准电压分别为的情况下，555时基电路的功能表如表1示。
表1
清零端
高触发端TH
低触发端
Q
放电管T
功能
0
x
x
0
导通
直接清零
1
0
1
x
保持上一状态
保持上一状态
1
1
0
x
保持上一状态
保持上一状态
1
0
1
0
1
1
0
导通截止
置1
清零
2、555定时器构成触发器
（1）、555定时器构成单稳态触发器
上图为由555定时器和外接定时元件R、C构成的单稳态触发器。
D为钳位二极管，稳态时555电路输入端处于电源电平，内部放电开关管T导通，输出端Vo输出低电平，当有一个外部负脉冲触发信号加到Vi端。
并使2端电位瞬时低于1/3VCC，低电平比较器动作，单稳态电路即开始一个稳态过程，电容C开始充电，Vc按指数规律增长。
当Vc充电到2/3VCC时，高电平比较器动作，比较器A1翻转，输出Vo从高电平返回低电平，放电开关管T重新导通，电容C上的电荷很快经放电开关管放电，暂态结束，恢复稳定，为下个触发脉冲的来到作好准备。
波形图见图3。
暂稳态的持续时间Tw（即为延时时间）决定于外接元件R、C的大小。
Tw=1.1RC通过改变R、C的大小，可使延时时间在几个微秒和几十分钟之间变化。
当这种单稳态电路作为计时器时，可直接驱动小型继电器，并可采用复位端接地的方法来终止暂态，重新计时。
此外需用一个续流二极管与继电器线圈并接，以防继电器线圈反电势损坏内部功率管。
多谐振荡器又称为无稳态触发器，它没有稳定的输出状态，只有两个暂稳态。
在电路处于某一暂稳态后，经过一段时间可以自行触发翻转到另一暂稳态。
两个暂稳态自行相互转换而输出一系列矩形波。
多谐振荡器可用作方波发生器。
接通电源后，假定是高电平，则T截止，电容C充电。
充电回路是VCC—R1—R2—C—地，按指数规律上升，当上升到时（TH、端电平大于），输出翻转为低电平。
是低电平，T导通，C放电，放电回路为C—R2—T—地，按指数规律下降，当下降到时（TH、端电平小于），输出翻转为高电平，放电管T截止，电容再次充电，如此周而复始，产生振荡，经分析可得
输出高电平时间T=（R1+R2）Cln2
输出低电平时间T=R2Cln2
振荡周期T=（R1+2R2）Cln2
2.1.37段数码管
七段发光二极管显示器的原理，是用七个发光二极管构成a、b、c、d、e、f、
g七个笔画段，并分为共阳极和共阴极两种连接方法。
共阳极是将七个发光二极管的阳极接在一起并接在正电源上，阴极接到译码器的各输出端，当哪个发光二极管的阴极为低电平时对应的那个发光二极管就导通发光。
共阴极则是将七个发光二极管的阴极联在一起并接地，阳极译码器的各输出端，哪一个阳极为高电平时对应的那个二极管就发光。
此实验中用的是共阴极的数码管。
2.2单元电路设计及仿真
2.2.1门铃电路
（1）门铃电路仿真图
（2）电路工作原理
“叮咚”门铃设计的具体思路是利用555定时器的4端（复位端）控制是否输出信号，4端为低电平时，555定时器输出为0，4端为高电平时，555定时器正常工作，输出方波信号。
另一方面，要利用不同回路造成的输出不同的频率来产生“叮咚”声。
具体过程如下：
1、当按下开关时，一方面电源经过开关触点，二极管D2对电容C5快速充电，使555的4管脚变为高电平解除清零，另一方面电阻R6被按下的开关短路，振荡器振荡，其振荡频率为：
f1=1/0.7（R9+2R7）C3
则蜂鸣器发出“叮”的声音。
2、当松开开关后，一方面C5两端电压经过R5慢速放电，以维持555的4管脚的高电平使555工作，另一方面R1被接入电路，振荡器振荡频率为：
f2=1/0.7（R6+R9+2R7）C3
蜂鸣器发出“咚”的声音，555的4管脚变为低电平，555被清零，“咚”声终止。
“咚”声的持续时间由R5决定，改变R5的值可以改变持续时间。
其中改变R9的值可以改变双音的音调。
2.2.2延时电路
（1）延时电路仿真图
（2）工作原理
555电路构成的单稳态触发器。
输入端2一直处于低电平输入状态，当开关被按下，获得瞬时高电平，输出端3由高变为低，进入暂稳态。
经过tw时间后，恢复到稳态。
Tw=1.1R*C=20s,通过改变R、C参数的值，可以控制延时时间的长短。
在20s内无论开关被按下多少次，此555电路只输出一个脉冲，减少计数误差。
2.2.3数显记忆电路
1、计数电路
（1）、计数电路仿真图
（2）工作原理
这是由两片74LS160构成的计数器。
右边为低位，左边为高位。
计数器的模为99。
低位逐一计数达到9后，使得高位在下一脉冲到来时进1，同时低位复位为0。
从而实现模99的计数
另外在计数功能上拓展一个直接清零功能，使得主人可以在回家后可以直接将计数的数字消去，重新开始计数。
2、显示电路
（1）显示电路仿真图
此部分由74LS48驱动器和共阴极数字显示器构成。
可显示门铃被按下的次数。
3、Multisim仿真图
因为在仿真软件中的时间与现实不符，设计有现实中20秒的延时在仿真中难以看出效果，所以调整了部分电阻，使延时时间缩短得到了示波器中可观察的延时波形。
图一为开关处的波形，图二为从3管脚输出到计数部分的波形。
上图为蜂鸣器两端的波形，产生多谐振荡。
开关断开和连接时波形存在宽窄和速率差别。
4、组装、焊接及调试
4.1元件列表
元件类型
参数
数量
电阻
330
1
200
2
2M
1
5k
2
700
1
3.9k
1
3K
1
电容
1uF
2
0.01uF
2
0.1uF
1
47uF
1
100uF
1
芯片
74LS48N
2
74LS160N
2
74LS48D
1
74LS04D
1
共阴极数码管
2
NE555
2
二级管
1N4148
2
其他
面包板、杜邦线、
电路板、导线等
4.2组装、焊接和调试过程
首先我们按照仿真图进行了面包板的插接——延时电路、门铃电路、技术和显示电路分开组装，每插接好一部分便进行功能的测试，当各个部分的功能都实现了的时候，在将它们逐渐组装在一起，每新接一部分便用示波器波形验证。
最后得到组合的成功电路。
4.3实际中遇到的问题和解决方法
4.3.1面包板问题
在实际的操作中我们发现，线路重接多次、检查多次没有问题，但是没有预期效果，有的部分甚至不工作，排查过后，怀疑是面包板的问题，万用表测试发现其内部有相隔甚远的短路，发现问题后，我们开始在面包板上移动元件的位置，换插线，反复测试，虽然花费了许多时间，走了弯路，但最终还是解决了问题得到了预期效果。
4.3.2蜂鸣器发音问题
门铃电路部分我们采用了无源的蜂鸣器，想得到“叮咚”的双音效果。
第一次调试，电路不能发声，随后我们通过信号发生器反复测试，确定是频率未达到让此蜂鸣器发声的大小，故改变电路的参数，反复测试后得到了悦耳的叮咚声。
4.3.3各部分电路组合问题
当我们实现了延时电路、数显记忆电路和门铃电路的各部分功能后，进行了组装，发现数显记忆电路出现了紊乱现象，但是给入数显记忆电路部分的信号仍然是对的。
开始查找原因，期间为了保证稳定，将在面包板上的数显记忆部分，在电路板上进行了焊接调试，但是各部分组装后其数字的显示依旧是混乱的。
反复思索，想到了所给信号的杂波可能会让数显部分产生误判，所以在开关部分加了滤波电路，再次调试后得到了我们要实现的最终效果。
4.4完成情况
经过几天的奋战，最终得到了预期的效果，按下按钮时发出较高的频率“叮”
声，松开按钮发出较低频率的“咚”声。
在按下门铃的触发信号延时约20s传递到数显计数，使计数加1，最多可达99。
运行前几次因多谐部分可能使延时时间段有不稳定现象，但是多按几次时候延时时间便极为稳定了。
5个人体会
在做课设之前听学长学姐说很快会做出来，以为会很简单，自己动手后才发现并非如此，从前期题目确定后所有相关的资料的搜集和思路的整理，到方案电路图的仿真，再到后期实物的制作、调试，看起来只有几步，实际上中途频频遇到问题：
仿真不断出问题、插线效果不理想、调试过程中更是遇到了很多问题，上网查询，自己摸索尝试，请教学长学姐，然后再试验，想尽一切办法去完成，有的时候想一天也想不出解决的办法，既要在焦躁的环境中保持良好的心态去面对这件事情，又要时刻保持清醒的头脑去应对那些未知的、已知的困难和挑战，每一步都是对我们的考验，有连续好几天我们都是在晚上十一点半以后离开实验室，即使如此，每天一点点的进步都会很开心，从最初确定的一个题目、一个想法，一点一点地变成一个作品，心情也是从开始的饱含热情，到中途的无奈、抓狂，再到最后的收获的兴奋的变化，过程不易，最后的结果令人欣喜。
就像刚开始做的时候一个学长说的，我们在实验室要学的东西太多，从开始连实验室的仪器都不会用到自己不断地请教学习和摸索，直至通过自己的力量解决最后一个问题，完成课设作品，在这个过程中收获的不止是在知识运用能力的提高、自主学习的能力，还有对耐心和毅力的磨练。
在整个过程中，我和搭档遇到了很多未曾想到的挑战和困难，但是都在我们的努力下一一解决，最让我感到高兴的是我们能够再遇到问题时自己探索，并且运用书本上学过的知识成功解决解决它，虽然历时比较长，但是在整个过程中我们一直都在坚持通过自己的尝试、尽自己最大的努力去完成它，为此我感到很骄傲，同时感谢自己能有这样好的搭档。
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